[发明专利]基于布隆过滤器的PCM存储介质磨损均衡方法

说明书

本发明公开一种基于布隆过滤器的PCM存储介质磨损均衡方法，包括：(10)冷热转换链表结构查询：当需要读/写访问PCM的一个特定地址时，查询冷热转换链表结构是否有该地址；(20)冷热转换链表访问：若有该特定地址时，访问冷热转换链表中转换后的PCM地址，否则，直接访问PCM的原始地址；(30)写操作计数器更新：待地址访问操作完成后，若访问操作为写操作，更新布隆过滤器Partial Counting Bloom Filter相应的计数器值，否则流程结束；(40)访问超限检测：检测相应的计数器值是否超过阈值，若是，则执行冷热数据交换，否则流程结束。本发明的磨损均衡方法能使PCM存储介质写负载均衡、使用寿命延长。

技术领域

本发明属于计算机体系结构和存储管理技术领域，特别是一种平衡写负载、延长使 用寿命长的基于布隆过滤器的PCM存储介质磨损均衡方法。

背景技术

大数据所催生的内存计算迅速发展和处理器核数不断增长，促使内存在速度、容量、 功耗和可靠性的需求都达到前所未有的新高度。在过去数十年期间，DRAM作为主要的主存储器被广泛应用在移动终端和大规模计算系统中。随着当前计算机系统对大容量、 低功耗、扩展性强的高性能内存的需求不断增加，现有DRAM面临高静态功耗、容量 提升达到上限、扩展性有限等多种技术挑战。

新型非易失性存储器(Non-Volatile Memory,NVM)的出现为打破这些限制提供了契机。 其中，一种称为相变存储器(Phase Change Memory,PCM)的NVM被视为最有希望替代DRAM成为下一代的主存储器。PCM具有非易失性、低静态功耗、扩展性强等特性， 但同时PCM单个存储单元的写寿命有限，耐受性差。由于PCM的每个存储单元只能 承受10⁷～10⁹次的写操作，远低于DRAM存储单元超过10¹⁵次写操作的耐久性，特别是 在连续写的情况下，PCM存储单元的耐受性将受到严重制约。如何更好地均匀化写操 作分布是设计高效磨损均衡算法必须考虑的因素。

研究者提出使用DRAM缓存技术来减少PCM的写操作次数，如ACM SAC’2012 论文“PRAM Wear-Leveling Algorithm for Hybrid Main Memory Based on Data Buffering,Swapping,and Shifting”(公开日：2012年3月26日)和IEEE DATE’2010论文“IncreasingPCM Main Memory Lifetime”(公开日：2010年3月8日)所采用的方法，还有同时通 过数据交换和移位技术来实现数据块内部和不同数据块之间的磨损均衡，如IEEE DATE’2010论文“Energy-and Endurance-Aware Design of Phase Change Memory Caches” (公开日：2010年3月8日)和IEEE ISCA’2009论文“A Durable and Energy Efficient Main MemoryUsing Phase Change Memory Technology”(公开日：2009年6月20日)。前者 将修改频繁的数据块缓存在DRAM中，把修改较少或者访问不频繁的数据块淘汰至 PCM，能够一定程度上减少写访问密集型应用对某些存储单元的磨损次数。数据移位和 交换技术通过改变逻辑地址到物理地址映射关系的方式，将磨损严重的存储单元的写操 作均匀到磨损较轻的存储单元，实现不同粒度下的写操作均匀分布。

现有的基于PCM的磨损均衡算法能够一定程度上延长PCM的写寿命，但是依然存在以下几点问题。第一，已有的以DRAM作为缓存减少PCM写次数的设计方法只关注 如何优化脏数据页的淘汰策略，并不能利用数据块的读写倾向性避免PCM上不必要的 写操作；第二，采用确定性映射机制的静态磨损均衡策略不能有效处理恶意访问攻击情 况下的写操作均匀分布，替换页的选择缺乏随机性的保护；第三，以单个页面为粒度的 磨损均衡操作在空间局部性较强的应用场景中效率低下。

发明内容